對軸流壓氣機脈動壓力信號的分析

王洪祥

【摘要】目前航空界研究領域中，壓氣機穩定性分析是一大熱點。研究的難點就是壓氣機的失穩形式，即失速與喘振研究。對軸流壓氣機脈動壓力信號的分析可以更好地動態認識壓氣機失穩過程，進一步對軸流壓氣機機理性進行研究。對壓氣機失穩進行初始擾動識別，從而進行主動控制。

【關鍵詞】失速;喘振;軸流壓氣機;失穩初始擾動;脈動壓力信號

近一個多世紀，發動機設計水平隨著世界的航空技術的發展有了很大的提高。壓氣機的設計需要注重其性能研究，其中的穩定性是關鍵因素。如果在失速初始擾動出現就采取科學的措施，就能夠有效地抑制旋轉的失速與喘振。

1.軸流式壓氣機與效率

空氣在軸流式壓氣機中主要沿軸向流動。它由轉子和靜子，即工作輪與整流器兩部分組成。一排轉子葉片與靜子葉片組成一級，單級增壓小，一般采用多級結構，以便獲得較高增壓比，在壓氣機中，空氣隨著被逐級增壓，密度與溫度也隨之升高。軸流式壓氣機的空氣流量可以做得很大，最高將達200公斤/秒。壓縮功與實際消耗的機械功之比稱為壓氣機效率，軸流式壓氣機的面積小，增壓比和效率都高，單級效率約為85%～88%。多級軸流式壓氣機的效率一般為84%～89%相對較高。當壓氣機的轉速恒定下，壓氣機的增壓會隨著空氣流量的減少而升高。在達到峰值后，增壓比降低，就導致壓氣機由于工作點接近了不穩定邊界而產生脈動，出現強烈的振動與噪聲。被動的做法為：讓工作點遠離開不穩定的邊界，但是這種方法將使壓氣機的工作效率驟降。

2.旋轉失速與喘振等失穩先兆分析

脈動壓力是一種隨時間變化的壓力，它直接關系到飛行器的安全。旋轉失速與喘振會導致壓氣機葉片負荷失穩，失速頻率低，機器溫度升高，影響出口氣流壓力與壓氣機效率，從而造成機械出現故障。對壓氣機的在線預測與主動控制可以更好地保護壓氣機的工作效率，這就需要對失穩先兆，尤其是失速初始擾動有深入地研究，關注失速團的形成和演變。傅里葉變換可以利用數字計算機快速的算出。

軸流壓氣機在流場匹配良好時，各級氣流不分離，壓力傳感器檢測到的壓力信號小，呈現直流分量的信號頻譜，沒有旋轉失速頻率fHZ的頻率。但是在葉片進口氣流攻角>臨界攻角，氣流在葉背發生分離嚴重擴展至葉柵通道，飛機工作穩定性容易出現問題。信號由很多不同頻率的波疊加在一起，信號越簡單疊加的波的頻率就越少。使用信號，關鍵在于對這些信號的處理。在時域中看到的信號波形非常復雜，這時從頻域入手分析，復雜的信號由不同的頻率的正弦波組成，在頻域很有規律，就更好處理，把信號從時域轉到頻域，將無規律的信號變成有規律。轉到頻域設置窗口函數，分離出有用函數與待處理的頻域函數相乘，分離出需要的頻率。

對于軸流壓氣機旋轉失速信號檢測一般依據頻譜分析FFT算法，變換公式為：

其逆變換為：

k=0，1，2，…，N-1其中，Xn為時域信號，x[t]的離散時間按序列，x[k]為Xn的離散傅里葉變換的k階段的頻率系數，直流分量就是k=0說對應的信號。N的取值為2的整數次冪。

3.實驗數據與分析

3.1 流量與喘振

壓氣機轉速一定，系統某些部件堵塞可確定其最大流量。流量的減小打破了穩定流動狀態條件，發生喘振。如圖所示（壓氣機在某一工作狀態下的進喘示意圖）：

在整個的喘振過程中，壓氣機的整個系統都經過壓力脈動。由于壓氣機的流量和壓力的脈動，都會在壓氣機及其聯接管道中，產生相應的機械振動和可聽見的很大的聲音。

3.2 喘振過程脈動A值統計

將壓氣機的整個喘振過程分為三大階段：即，發動機喘前穩定過程、發動機的進喘過程和發動機退喘后的穩定過程。對發動機整個進喘過程的脈動A值統計如表1所示。

3.3 試驗數據分析與結論

通過上面數據分析得出：發動機進喘前各測點的脈動A值，基本都是低于6%的，而發動機的進喘瞬間，各點脈動A值開始明顯出現增大，甚至出現高達數十倍的A值。這說明，壓氣機運行在進入喘振狀態時，脈動A值會發生較大的變化，同時，脈動聲音會出現較大的變化。從而得出：通過脈動A值的變化，能夠很順利地提前預判發動機是否進喘，并對發動機首發進喘級分析。

提前識別失穩初始擾動對控制壓氣機避免進入失穩狀態，提高壓氣機工作效率和穩定性都具有非常重要的意義。

參考文獻

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